原帖与示例代码地址：http://www.codeproject.com/KB/cpp/MemoryPool.aspx
译者点评：一个简单的内存池实现，附有源码，简单易懂，适合入门。
概述
在c/c++中，内存分配（如malloc或new）会使用很多时间。
一个程序会随着长时间的运行和内存的申请释放而变得越来越慢，内存也会随着时间逐渐碎片化。特别是高频率的进行小内存申请释放，此问题变得尤其严重。
解决方案：定制内存池
为解决上述问题，一个(可能的)的解决方案就是使用内存池。
“内存池”在初始化时，分配一个大块内存（称 原始内存块），并且将此内存分割为一些小的内存块。当你需要请求分配内存时，则从内存池中取出事先分配好的内存，而不是向OS申请。内存池最大的优势在于：
1、极少的（甚至没有）堆碎片整理
2、较之普通内存分配(如malloc,new)，有着更快的速度
额外的，你还将获得如下好处：
1、检测任意的指针是否指向内存池内
2、生成"heap-dump"
3、各种 内存泄漏 检测：当你没有释放之前申请的内存，内存池将抛出断言
如何工作？
让我们看看内存池的UML模型图：
图中简要的描述了CMemoryPool class，更多的细节请查看源码中class声明。
那么，CMemoryPool如何实际工作？
关于 MemoryChunks
正如你在UML图中所看到的，内存池维护着一个SMemoryChunk链表，并管理着三个指向SMemoryChunk结构的指针(m_ptrFirstChunk, m_ptrLastChunk, and m_ptrCursorChunk)。这些指针指向SMemoryChunk链表的不同位置。让我们更深入的观察SMemoryChunk：(在内存池实现中，SMemoryChunk封装了原始内存块的各个部分 -- 译者注)
typedef struct SMemoryChunk
{
TByte *Data ; // 常规数据指针
std::size_t DataSize ; // 内存块容量
std::size_t UsedSize ; // 内存块当前使用大小
bool IsAllocationChunk ; // 为true时, 内存块已被分配，可用free之类的函数释放
SMemoryChunk *Next ; // 指向内存块链表中的下一个内存块，可能为null
第一步：预分配内存
当你调用CMemoryPool的构造函数，内存池会向OS申请原始内存块。
/******************
Constructor
******************/
CMemoryPool::CMemoryPool(const std::size_t &sInitialMemoryPoolSize,
const std::size_t &sMemoryChunkSize,
const std::size_t &sMinimalMemorySizeToAllocate,
bool bSetMemoryData)
{
m_ptrFirstChunk = NULL ;
m_ptrLastChunk = NULL ;
m_ptrCursorChunk = NULL ;
m_sTotalMemoryPoolSize = 0 ;
m_sUsedMemoryPoolSize = 0 ;
m_sFreeMemoryPoolSize = 0 ;
m_sMemoryChunkSize = sMemoryChunkSize ;
m_uiMemoryChunkCount = 0 ;
m_uiObjectCount = 0 ;
m_bSetMemoryData = bSetMemoryData ;
m_sMinimalMemorySizeToAllocate = sMinimalMemorySizeToAllocate ;
// Allocate the Initial amount of Memory from the Operating-System...
AllocateMemory(sInitialMemoryPoolSize) ;
}
所有的成员的函数初始化在此完成，最后AllocateMemory将完成向OS申请原始内存块的任务。
/******************
AllocateMemory
******************/
<CODE>bool CMemoryPool::AllocateMemory(const std::size_t &sMemorySize)
{
std::size_t sBestMemBlockSize = CalculateBestMemoryBlockSize(sMemorySize) ;
// allocate from Operating System
TByte *ptrNewMemBlock = (TByte *) malloc(sBestMemBlockSize) ;
...
那么，内存池如何来管理这些数据呢？
第二步：内存分块
回忆前述，内存池管理使用SMemoryChunk链表来管理数据。在向OS申请原始内存块后，
我们还没有在其上建立SMemoryChunk。
图中所示的为初始化分配后的内存池。
我们需要分配一组SMemoryChunk，用于管理原始内存块:
//(AllocateMemory() continued) :
...
unsigned int uiNeededChunks = CalculateNeededChunks(sMemorySize) ;
// allocate Chunk-Array to Manage the Memory
SMemoryChunk *ptrNewChunks =
(SMemoryChunk *) malloc((uiNeededChunks * sizeof(SMemoryChunk))) ;
assert(((ptrNewMemBlock) && (ptrNewChunks))
&& "Error : System ran out of Memory") ;
...
CalculateNeededChunks函数用于计算需要分配的SMemoryChunk的数量。分配后，ptrNewChunks指向这组SMemoryChunk。注意，SMemoryChunk中目前只是持有垃圾数据，我们还没有为SMemoryChunk的成员关联至原始内存块。
最后，AllocateMemory函数将为所有的SMemoryChunk关联至原始内存块。
//(AllocateMemory() continued) :
...
// Associate the allocated Memory-Block with the Linked-List of MemoryChunks
return LinkChunksToData(ptrNewChunks, uiNeededChunks, ptrNewMemBlock) ;
让我们进入LinkChunksToData中一窥究竟：
/******************
LinkChunksToData
******************/
bool CMemoryPool::LinkChunksToData(SMemoryChunk *ptrNewChunks,
unsigned int uiChunkCount, TByte *ptrNewMemBlock)
{
SMemoryChunk *ptrNewChunk = NULL ;
unsigned int uiMemOffSet = 0 ;
bool bAllocationChunkAssigned = false ;
for(unsigned int i = 0; i < uiChunkCount; i++)
{
if(!m_ptrFirstChunk)
{
m_ptrFirstChunk = SetChunkDefaults(&(ptrNewChunks[0])) ;
m_ptrLastChunk = m_ptrFirstChunk ;
m_ptrCursorChunk = m_ptrFirstChunk ;
}
else
{
ptrNewChunk = SetChunkDefaults(&(ptrNewChunks[i])) ;
m_ptrLastChunk->Next = ptrNewChunk ;
m_ptrLastChunk = ptrNewChunk ;
}
uiMemOffSet = (i * ((unsigned int) m_sMemoryChunkSize)) ;
m_ptrLastChunk->Data = &(ptrNewMemBlock[uiMemOffSet]) ;
// 第一个SMemoryChunk被称为“AllocationChunk”。
// 这意味着,它持有原始内存块的指针并能够利用它释放原始内存块
if(!bAllocationChunkAssigned)
{
m_ptrLastChunk->IsAllocationChunk = true ;
bAllocationChunkAssigned = true ;
}
}
return RecalcChunkMemorySize(m_ptrFirstChunk, m_uiMemoryChunkCount) ;
}
让我们一步步的来看这个重要的函数：第一行检查在SMemoryChunk链表中是否已经有了可用的
SMemoryChunk：
...
if(!m_ptrFirstChunk)
...
在最初始进入循环，此条件不成立。那么，我们为一些内部的成员进行关联。
...
m_ptrFirstChunk = SetChunkDefaults(&(ptrNewChunks[0])) ;
m_ptrLastChunk = m_ptrFirstChunk ;
m_ptrCursorChunk = m_ptrFirstChunk ;
...
m_ptrFirstChunk这时指向SMemoryChunk中的第一个元素。每一个SMemoryChunk管理的内存块大小由m_sMemoryChunkSize指定。这些内存块来自于原始内存块，偏移量
uiMemOffSet指示着每一个SMemoryChunk所管理的内存起始点处于原始内存块的何处。
uiMemOffSet = (i * ((unsigned int) m_sMemoryChunkSize)) ;
m_ptrLastChunk->Data = &(ptrNewMemBlock[uiMemOffSet]) ;
额外的，每个新的SMemoryChunk都将被指定为新的m_ptrLastChunk。
...
m_ptrLastChunk->Next = ptrNewChunk ;
m_ptrLastChunk = ptrNewChunk ;
...
经过循环之后，内存池中的SMemoryChunk链表将被成功的与原始内存块关联。
最终，我们重新计算每一个SMemoryChunk能管理到的内存尺寸。这个步骤相当耗时，并且必须在每次从ＯＳ附加新的内存到内存池后调用。所有被计算出的尺寸，将被DataSize成员持有。
/******************
RecalcChunkMemorySize
******************/
bool CMemoryPool::RecalcChunkMemorySize(SMemoryChunk *ptrChunk,
unsigned int uiChunkCount)
{
unsigned int uiMemOffSet = 0 ;
for(unsigned int i = 0; i < uiChunkCount; i++)
{
if(ptrChunk)
{
uiMemOffSet = (i * ((unsigned int) m_sMemoryChunkSize)) ;
ptrChunk->DataSize =
(((unsigned int) m_sTotalMemoryPoolSize) - uiMemOffSet) ;
ptrChunk = ptrChunk->Next ;
}
else
{
assert(false && "Error : ptrChunk == NULL") ;
return false ;
}
}
return true ;
}
在RecalcChunkMemorySize之后，每一个SMemoryChunk将知道自己需要释放多大的内存。因此，这使得 确定某个SMemoryChunk能否持有一个指定大小的内存 将变得非常容易：当DataSize成员大于或等于请求的内存尺寸并且UsedSize成员值为0，这时此SMemoryChunk将能够满足用户的需要。让我们来看一个具体的例子来加深对这个机制的理解，假设内存池为600字节，并且每个SMemoryChunk为100字节。
第三步：向内存池请求内存
现在，如果用户向内存池请求内存，那会发生什么呢？最开始，所有的SMemoryChunk在内存池中都是闲置可用状态：
让我们看看GetMemory函数吧：
/******************
GetMemory
******************/
void *CMemoryPool::GetMemory(const std::size_t &sMemorySize)
{
std::size_t sBestMemBlockSize = CalculateBestMemoryBlockSize(sMemorySize) ;
SMemoryChunk *ptrChunk = NULL ;
while(!ptrChunk)
{
// 搜索是否有符合条件的SMemoryChunk？
ptrChunk = FindChunkSuitableToHoldMemory(sBestMemBlockSize) ;
if(!ptrChunk)
{
// 没有SMemoryChunk符合条件
// 内存池太小了，需要向OS申请新的内存
sBestMemBlockSize = MaxValue(sBestMemBlockSize, CalculateBestMemoryBlockSize(m_sMinimalMemorySizeToAllocate)) ;
AllocateMemory(sBestMemBlockSize) ;
}
}
// 一个合适的SMemoryChunk被找到
// 校正其 TotalSize/UsedSize 成员的值
m_sUsedMemoryPoolSize += sBestMemBlockSize ;
m_sFreeMemoryPoolSize -= sBestMemBlockSize ;
m_uiObjectCount++ ;
SetMemoryChunkValues(ptrChunk, sBestMemBlockSize) ;
// 最终将内存指针返回给用户
return ((void *) ptrChunk->Data) ;
}
当用户向内存池发出请求，内存池搜索SMemoryChunk链表，并在其中找到满足条件的SMemoryChunk，“满足条件”意味着：
1、DataSize必须大于或等于请求的大小
2、UsedSize必须为0
FindChunkSuitableToHoldMemory如果其返回NULL，那么就表示在内存池中没有可用的内存。这将会引发AllocateMemory函数的调用（前述），此函数会向OS申请更多的内存。
如果返回非NULL，那么便找到了可用的SMemoryChunk。
示例
假设，用户向内存池申请２５０字节：
如你所见，每一个SMemoryChunk管理１００字节，所以，２５０字节并不是１００的整数倍。这会引发什么情况呢？GetMemory将会返回指向第一个SMemoryChunk的指针，并设置其的UsedSize成员为300字节，因为300是100的整数倍数值中最小的，并且其大于250。多出的50字节称为"memory overhead".
当FindChunkSuitableToHoldMemory寻找可用的SMemoryChunk时，它将只会从一个闲置的SMemoryChunk跳到另一个闲置的SMemoryChunk。这意味着，如果又有申请内存的请求达到，例子中的第四个SMemoryChunk将是寻找的起始点。
如何使用代码
代码的使用简单而直接：
只需要在你的程序中包含"CMemoryPool.h"，并附加源码文件至你的IDE/makefile：
- CMemoryPool.h
- CMemoryPool.cpp
- IMemoryBlock.h
- SMemoryChunk.h
你需要创建一个CMemoryPool实例，并从中分配内存。所有的内存池配置都在CMemoryPool的构造函数中被完成。
使用示例
MemPool::CMemoryPool *g_ptrMemPool = new MemPool::CMemoryPool() ;
char *ptrCharArray = (char *) g_ptrMemPool->GetMemory(100) ;
...
g_ptrMemPool->FreeMemory(ptrCharArray, 100) ;
delete g_ptrMemPool ;
兴趣点
内存诊断
你可以调用WriteMemoryDumpToFile函数来输出内存诊断信息文件。让我们看下源码附带的MyTestClass_OPOverload类的构造函数。（此类重载了new和delete操作，使用了内存池操作）
MyTestClass_OPOverload()
{
m_cMyArray[0] = 'H' ;
m_cMyArray[1] = 'e' ;
m_cMyArray[2] = 'l' ;
m_cMyArray[3] = 'l' ;
m_cMyArray[4] = 'o' ;
m_cMyArray[5] = NULL ;
m_strMyString = "This is a small Test-String" ;
m_iMyInt = 12345 ;
m_fFloatValue = 23456.7890f ;
m_fDoubleValue = 6789.012345 ;
Next = this ;
}
MyTestClass *ptrTestClass = new MyTestClass ;
g_ptrMemPool->WriteMemoryDumpToFile("MemoryDump.bin") ;
让我们看看内存诊断文件的内容：
如你所见，这是MyTestClass_OPOverload所有的成员在内存中的表示。
速度测试
我在windows下完成了一个简单的速度测试（使用timeGetTime()），结果显示内存池的使用可以大大增加程序的速度。所有的测试均使用vs2003，debug模式编译（测试机器：Intel Pentium IV Processor (32 bit), 1GB RAM, MS Windows XP Professional）
//Array-test (Memory Pool):
for(unsigned int j = 0; j < TestCount; j++)
{
// ArraySize = 1000
char *ptrArray = (char *) g_ptrMemPool->GetMemory(ArraySize) ;
g_ptrMemPool->FreeMemory(ptrArray, ArraySize) ;
}
//Array-test (Heap):
for(unsigned int j = 0; j < TestCount; j++)
{
// ArraySize = 1000
char *ptrArray = (char *) malloc(ArraySize) ;
free(ptrArray) ;
}
//Class-Test for MemoryPool and Heap (重载了new与delete)
for(unsigned int j = 0; j < TestCount; j++)
{
MyTestClass *ptrTestClass = new MyTestClass ;
delete ptrTestClass ;
}
关于代码
代码在ms windows与linux的如下c++编译器通过测试：
- Microsoft Visual C++ 6.0
- Microsoft Visual C++ .NET 2003
- MinGW (GCC) 3.4.4 (Windows)
- GCC 4.0.X (Debian GNU Linux)
vc6.0的项目文件与vs2003的项目文件已经包含在源码中。在64位的环境下使用应该没有问题。
注意：此内存池并非线程安全的。
待办事项
此内存池实现远远不够完善，待办事项如下：
1、对于海量的内存，memory overhead可能很大
2、一些CalculateNeededChunks函数的调用可以通过重构某些函数来被剥离，之后速度可能会更快。
3、更多的稳定性测试(尤其是对长时间运行的程序)
4、线程安全的实现